Cum să îmbunătățiți calitatea imaginii sistemului cu ultrasunete utilizând surse cu zgomot ultra-redus

Tehnologia cu ultrasunete, un instrument neinvaziv utilizat pe scară largă în diagnosticarea medicală și în alte aplicații, a trecut de la imagini statice la imagini dinamice și de la prezentarea în alb-negru la imagini Doppler color. Aceste îmbunătățiri importante se datorează în mare parte introducerii tehnologiei digitale cu ultrasunete. În timp ce aceste progrese au sporit eficacitatea și versatilitatea imagisticii cu ultrasunete, este la fel de important ca aceste sisteme să ofere o calitate îmbunătățită a imaginii prin intermediul progreselor înregistrate la nivelul sondei cu ultrasunete din capătul frontal și al front-end-ului analogic (AFE) care acționează sonda și captează semnalele returnate.

Unul dintre obstacolele care stă în calea obținerii acestei calități îmbunătățite a imaginii este zgomotul, astfel încât obiectivul de proiectare este creșterea raportului semnal-zgomot (SNR) al sistemului. În parte, acest lucru poate fi realizat prin abordarea zgomotului datorat diferitelor șine de alimentare din sistem. Rețineți că un astfel de zgomot nu este o entitate unică și simplă. În schimb, acesta are diverse caracteristici și atribute care determină modul în care influențează în cele din urmă performanța sistemului.

Acest articol va examina principiul de bază al imagisticii cu ultrasunete, apoi se va concentra pe diferiți factori care afectează calitatea imaginii, în principal zgomotul produs de sursele de alimentare. Se vor utiliza dispozitive de reglare c.c.-c.c. de la Analog Devices ca exemple de componente de alimentare care pot îmbunătăți considerabil SNR și alte aspecte ale performanței sistemului de ultrasunete.

Bazele imagisticii cu ultrasunete

Conceptul este simplu: se generează un impuls acustic ascuțit, apoi se „ascultă” ecoul reflectat pe măsură ce acesta întâlnește obstacole sau diverse interfețe între organe și impedanțele lor acustice diferite. Prin efectuarea acestor secvențe de returnare a impulsurilor în mod repetat, reflexiile pot fi folosite pentru a crea o imagine a suprafețelor reflectante.

Pentru majoritatea modurilor cu ultrasunete, rețeaua de traductoare piezoelectrice trimite un număr limitat de cicluri de undă (de obicei, de la două până la patru) sub formă de impuls. De obicei, frecvența acestor unde în fiecare ciclu este cuprinsă între 2,5 și 14 megahertzi (MHz). Rețeaua este controlată prin intermediul unor tehnici de formare a fasciculului, similare cu cele ale unei antene RF cu rețea în fază, astfel că impulsul global de ultrasunete poate fi concentrat și dirijat pentru a crea o scanare. Traductorul trece apoi în modul de recepție pentru a detecta întoarcerea undelor reflectate din interiorul corpului.

Rețineți că raportul de sincronizare dintre emisie/recepție este, în general, de aproximativ 1%/99%, cu o frecvență de repetiție a impulsurilor cuprinsă de obicei între 1 și 10 kilohertzi (kHz). Prin cronometrarea impulsului de la transmisie până la ecourile recepționate și cunoscând viteza cu care energia ultrasunetelor se propagă prin țesutul corpului, se poate calcula distanța de la traductor până la organul sau interfața care reflectă unda. Amplitudinea undelor returnate determină luminozitatea pixelilor atribuiți reflexiei în imaginea cu ultrasunete, după o post-procesare digitală considerabilă.

Înțelegerea cerințelor de sistem

În ciuda simplității conceptuale a principiului de bază, un sistem complet de imagistică cu ultrasunete de înaltă calitate este un dispozitiv complicat (Figura 1). Performanța finală a sistemului este determinată în mare măsură de traductor și de front-end-ul analogic (AFE), în timp ce post-procesarea semnalului reflectat digitalizat permite algoritmilor să îmbunătățească situația.

Nu este surprinzător faptul că zgomotul de sistem de diferite tipuri este unul dintre factorii limitativi ai calității imaginii și performanței, din nou similar cu analiza ratei de eroare de biți (BER) în raport cu SNR în sistemele de comunicații digitale.

Figura 1: un sistem complet de imagistică cu ultrasunete este o combinație complexă a unei cantități semnificative de funcționalități analogice, digitale, de alimentare și de procesare; AFE definește limitele de performanță ale sistemului. (Sursă imagine: Analog Devices)

Există un comutator de emisie/recepție (T/R) între rețeaua de traductoare piezoelectrice și componentele electronice active. Rolul acestui comutator este de a preveni ca semnalele de transmisie de înaltă tensiune care acționează traductorul să ajungă la AFE de joasă tensiune din partea de recepție și să îl deterioreze. După ce reflexia primită este amplificată și condiționată, aceasta este transmisă la convertorul analogic-digital (ADC) al AFE, unde este digitalizată și supusă procesării și îmbunătățirii imaginii pe bază de software.

Fiecare dintre diferitele moduri de imagistică ale unui sistem cu ultrasunete are cerințe diferite în ceea ce privește gama dinamică – și, prin urmare, SNR – sau cerințele de zgomot:

• Pentru modul de imagine alb-negru, este necesar un interval dinamic de 70 de decibeli (dB); nivelul de zgomot de fond este important, deoarece influențează adâncimea maximă la care cel mai mic ecou ultrasonic poate fi văzut în câmpul îndepărtat. Acest lucru se numește penetrare și este una dintre caracteristicile cheie ale modului alb-negru.
• Pentru modul doppler cu unde de impuls (PWD), este necesar un interval dinamic de 130 dB.
• Pentru modul doppler cu undă continuă (CWD), este nevoie de 160 dB. Rețineți că zgomotul 1/f este deosebit de important pentru modurile PWD și CWD, deoarece ambele imagini includ elementul de spectru de frecvență joasă, sub 1 kHz, iar zgomotul de fază afectează spectrul de frecvență Doppler mai mare de 1 kHz.

Aceste cerințe nu sunt ușor de îndeplinit. Deoarece frecvența traductorului de ultrasunete este, de obicei, cuprinsă între 1 MHz și 15 MHz, acesta va fi afectat de orice zgomot de frecvență de comutare din acest interval. În cazul în care există frecvențe de intermodulație în cadrul spectrului PWD și CWD (de la 100 Hz la 200 kHz), în imaginile Doppler vor apărea spectrele de zgomot evidente, ceea ce este inacceptabil în sistemul cu ultrasunete. Pentru o performanță maximă a sistemului și pentru o calitate maximă a imaginii (claritate, interval dinamic, lipsa de pete pe imagini și alți factori de merit), este important să se analizeze sursele care cauzează pierderea calității semnalului și degradarea SNR.

Prima este evidentă: din cauza atenuării, răspunsurile de la țesuturile și organele mai adânci în corp (cum ar fi rinichii) sunt mult mai slabe decât în cazul celor apropiate de traductor. Prin urmare, semnalul reflectat este „amplificat” de AFE astfel încât să ocupe cât mai mult posibil din domeniul de intrare al AFE. Pentru aceasta, se utilizează o funcție de control automat al câștigului (AGC). Această funcție AGC este similară cu cea utilizată în sistemele wireless, unde AGC evaluează intensitatea semnalului recepționat (RSS) wireless prin RF și compensează dinamic modificările aleatorii și imprevizibile ale acestuia pe un interval de zeci de decibeli.

Cu toate acestea, situația este diferită în cazul aplicației cu ultrasunete decât în cazul unei legături wireless. În schimb, atenuarea traiectoriei este cunoscută cu aproximație, la fel ca și viteza de propagare a energiei acustice – 1540 de metri pe secundă (m/s) în țesuturile moi, sau de aproximativ cinci ori mai rapidă decât propagarea în aer la aproximativ 330 m/s – și astfel se cunoaște și rata de atenuare.

Pe baza acestor cunoștințe, AFE utilizează un amplificator cu câștig variabil (VGA) care este aranjat ca amplificator de compensare a câștigului de timp (TGC). Câștigul acestui VGA este liniar în dB și este configurat astfel încât o tensiune de comandă cu rampă de creștere liniară în raport cu timpul crește câștigul în raport cu timpul pentru a compensa în mare măsură atenuarea. Acest lucru maximizează SNR și utilizarea intervalului dinamic al AFE.

Tipuri de zgomot și cum să le abordați

Deși zgomotul de semnal indus de corp și de pacient nu poate fi controlat de către proiectantul sistemului cu ultrasunete, zgomotul intern al sistemului trebuie gestionat și controlat. Pentru aceasta, este important să înțelegem tipurile de zgomot, impactul lor și ce se poate face pentru a le reduce. Principalele domenii de interes sunt zgomotul regulatorului de comutare; zgomotul alb datorat lanțului de semnal, ceasului și alimentării; și zgomotul legat de configurație.

• Zgomotul regulatorului de comutare: majoritatea regulatoarelor de comutare utilizează un rezistor simplu pentru a seta frecvența de comutare. Toleranța inevitabilă a valorii nominale a acestui rezistor introduce diferite frecvențe de comutare și armonice, deoarece frecvențele diferitelor regulatoare independente se amestecă și se modulează reciproc. Luați în considerare faptul că până și un rezistor cu toleranță strânsă, cu o inexactitate de 1%, are ca rezultat o frecvență armonică de 4 kHz într-un regulator c.c. - c.c. de 400 kHz, ceea ce face ca armonicele să fie mai greu de controlat.

O soluție mai bună este selectarea unui circuit integrat de reglare în comutație cu o funcție de sincronizare implementată prin intermediul unei conexiuni SYNC pe unul dintre pinii pachetului său. Folosind această funcție, un ceas extern poate distribui un semnal către diferitele regulatoare, astfel încât toate să comute la aceeași frecvență și fază. Acest lucru elimină amestecul frecvențelor nominale și al produselor armonice asociate.

De exemplu, LT8620 este un regulator de comutare monolitic sincron coborâtor de eficiență ridicată și de mare viteză, care acceptă o gamă largă de tensiuni de intrare de până la 65 de volți și consumă doar 2,5 microamperi (μA) de curent de repaus (Figura 2). Funcționarea acestuia în „modul cu rafale” cu ondulație redusă permite o eficiență ridicată până la curenți de ieșire foarte mici, menținând în același timp ondulația de ieșire sub 10 milivolți (mV) de la vârf la vârf. Un pin SYNC permite sincronizarea stabilită de utilizator cu un ceas extern de la 200 kHz la 2,2 MHz.

Figura 2: regulatorul de comutare coborâtr LT8620, foarte eficient, include un pin SYNC, astfel încât ceasul acestuia să poată fi sincronizat cu alte ceasuri de sistem, minimizând efectele de intermodulație ale ceasului. (Sursă imagine: Analog Devices)

O altă tehnică implică utilizarea unui regulator de comutare care utilizează o sincronizare aleatorie cu spectru extins pentru a răspândi interferența electromagnetică (EMI) generată pe o bandă mai largă, reducând valoarea sa de vârf la orice frecvență specifică. Deși aceasta este o soluție atractivă pentru unele aplicații care nu sunt atât de esențiale pentru SNR și sunt mai preocupate de respectarea cerințelor EMI, aceasta introduce incertitudini în armonicele rezultate, care vor fi create într-un spectru mai larg, ceea ce le face mai greu de controlat. De exemplu, o răspândire a frecvenței de comutare de 20% pentru a lua în considerare EMI duce la frecvențe armonice între zero și 80 kHz într-o sursă de alimentare de 400 kHz. Astfel, în timp ce această abordare de reducere a „vârfurilor” EMI poate ajuta la îndeplinirea mandatelor de reglementare relevante, poate fi contraproductivă pentru nevoile speciale de SNR ale modelelor cu ultrasunete.

Regulatoarele de comutare cu frecvență constantă ajută la evitarea acestei probleme. Familia de regulatoare de tensiune Silent Switcher și regulatoare μModule de la ADI prezintă o comutare cu frecvență constantă. În același timp, acestea oferă performanțe EMI cu tehnici selectabile de spectru extins, pentru a oferi un răspuns tranzitoriu excelent fără a introduce incertitudinile asociate cu spectrul extins.

Familia de regulatoare Silent Switcher nu se limitează doar la regulatoare de putere mică. De exemplu, LTM8053 este un regulator coborâtor de 40 V_IN (maxim), 3,5 A continuu, vârf de 6 A, care include un controler de comutare, comutatoare de putere, un inductor și toate componentele de suport. Pentru a finaliza proiectarea sunt necesare doar condensatoarele de filtrare de intrare și de ieșire (Figura 3). Acesta suportă o gamă de tensiuni de ieșire de la 0,97 la 15 volți și o gamă de frecvențe de comutare de la 200 kHz la  MHz, fiecare dintre acestea fiind setată de un singur rezistor.

Figura 3: LTM8053, membru al familiei Silent Switcher, poate furniza un curent continuu de 3,5 A/vârf de 6 A; acceptă o intrare de la 3,4 la 40 de volți și poate furniza o ieșire pe o gamă largă de la 0,97 la 15 volți. (Sursă imagine: Analog Devices)

Capsularea unică a LTM8053 ajută la menținerea unui nivel scăzut de EMI împreună cu o ieșire de curent mai mare. O capsulă flip-chip cu coloană de cupru într-un regulator µModule Silent Switcher ajută la reducerea inductanței parazite și la optimizarea vârfurilor și a timpului mort, permițând o proiectare de înaltă densitate și o capacitate de curent mare într-o capsulă mică (Figura 4). Dacă este nevoie de mai mult curent, se pot conecta mai multe dispozitive LT8053 în paralel.

Figura 4: LTM8053 (și alte dispozitive Silent Switcher) integrează un flip-chip cu coloană de cupru, permițând o proiectare de înaltă densitate și o capacitate de curent mare într-o capsulă mică, minimizând în același timp inductanța parazită. (Sursă imagine: Analog Devices)

Tehnologia și topologia liniei Silent Switcher nu se limitează la regulatoare cu o singură ieșire. LTM8060 este un regulator Silent Switcher μModule cu patru canale, de 40 V_IN, cu o matrice de ieșire configurabilă de 3 A (Figura 5). Funcționează până la 3 MHz și este împachetat într-o matrice cu bile (BGA) compactă (11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm), supramulată.

Figura 5: LTM8060 este o matrice configurabilă μModule cu patru canale cu ieșire de 3 A/canal într-o capsulă compactă care măsoară doar 11,9 mm × 16 mm × 3,32 mm. (Sursă imagine: Analog Devices)

Unul dintre aspectele interesante ale acestui dispozitiv cu patru canale este faptul că ieșirile sale pot fi puse în paralel în diferite configurații pentru a se potrivi diferitelor nevoi de curent de sarcină, până la un maxim de 12 A (Figura 6).

Figura 6: cele patru ieșiri de 3 A ale LTM8060 pot fi aranjate în diferite configurații paralele pentru a se potrivi cu cerințele aplicației privind șina c.c. (Sursă imagine: Analog Devices)

Pe scurt, regulatoarele Silent Switcher oferă multe avantaje în ceea ce privește zgomotul, armonicele și performanța termică (Figura 7).

Figura 7: se prezintă atributele cheie ale familiei de regulatoare Silent Switcher în raport cu perspectivele importante de proiectare. (Sursa imaginii: Analog Devices)

• Zgomot alb: există, de asemenea, multe surse de zgomot alb într-un sistem cu ultrasunete, ceea ce duce la zgomot de fond și „pete” pe imagine. Acest zgomot provine în principal din lanțul de semnal, sincronizare și alimentare. Adăugarea unui regulator cu căderi reduse (LDO) la pinul de alimentare al unei componente analogice sensibile poate rezolva această problemă.

Regulatoarele LDO de ultimă generație de la ADI, cum ar fi LT3045, au un nivel de zgomot ultra-redus, de aproximativ 1 microvolt (μV) rms (de la 10 Hz la 100 kHz) și oferă o ieșire de curent de până la 500 mA la o tensiune tipică de cădere de 260 mV (Figura 8). Curentul de repaus operațional nominal este de 2,3 mA și scade mult sub 1 μA în modul de oprire. Alte LDO-uri cu zgomot redus sunt disponibile pentru a acoperi curentul de la 200 mA la 3 A.

Figura 8: regulatoarele LT3045 LDO se remarcă prin zgomotul lor ultra-redus, de aproximativ 1 μV rms pe o gamă de curent de la 200 mA la 3 A. (Sursa imaginii: Analog Devices)

• Configurația plăcii: în majoritatea configurațiilor plăcilor de circuite imprimate, există un conflict între traseele de semnal de curent ridicat de la sursele de alimentare cu comutație și urmele de semnal adiacente de nivel scăzut, deoarece zgomotul de la primele se poate cupla la cele din urmă. Acest zgomot de comutare este, de obicei, generat de „bucla fierbinte” creată de condensatorul de intrare, MOSFET-ul de sus, MOSFET-ul de jos și inductanțele parazite datorate cablajului, rutării și lipirii.

Soluția standard este de a adăuga un circuit de amortizare pentru a reduce emisiile electromagnetice, dar acesta scade eficiența. Arhitectura Silent Switcher îmbunătățește performanța și menține o eficiență ridicată chiar și la o frecvență de comutare ridicată, prin crearea unei bucle fierbinți opuse (numită „divizare”) folosind emisii bidirecționale, reducând EMI cu aproximativ 20 dB (Figura 9).

Figura 9: prin stabilirea unei „bucle fierbinți” opuse care împarte calea fluxului de curent, Silent Switcher reduce semnificativ EMI, cu aproximativ 20 dB. (Sursă imagine: Analog Devices)

Eficiență versus zgomot

Ar putea părea că, dacă există un compromis între zgomotul sursei de alimentare și eficiența potențială, nevoia de zgomot ultra-redus în aplicația cu ultrasunete ar trebui să prevaleze. La urma urmei, câțiva miliwați de disipare în plus nu ar trebui să fie o povară atât de mare la nivelul sistemului „în ansamblu”. Mai mult, de ce să nu mărim energia pulsată de traductor pentru a crește intensitatea semnalului impulsului și, astfel, SNR-ul reflectat?

Dar acest compromis are o altă complicație: autoîncălzirea sondei digitale portabile care conține traductorul, driverul elementului piezoelectric, AFE și alte circuite electronice. O parte din energia electrică a sondei este disipată în elementul piezoelectric, în lentilă și în materialul de suport, provocând astfel încălzirea traductorului. Împreună cu energia acustică irosită în capul traductorului, acest lucru va duce la încălzire și la o creștere a temperaturii la nivelul sondei.

Există o limită a temperaturii maxime admisibile a suprafeței traductorului. Standardul IEC 60601-2-37 (Rev 2007) limitează această temperatură la 50 °C atunci când traductorul transmite în aer, și la 43 °C atunci când transmite într-o fantomă adecvată (un simulator corporal standard); limita din urmă implică faptul că pielea (de obicei la 33 °C) poate fi încălzită cu cel mult 10 °C. Astfel, încălzirea traductorului este un aspect important în proiectarea traductoarelor complexe. Aceste limite de temperatură pot restricționa efectiv puterea acustică care poate fi utilizată, indiferent de puterea c.c. disponibilă.

Concluzie

Imagistica cu ultrasunete este un instrument valoros de imagistică medicală utilizat pe scară largă, neinvaziv și lipsit de riscuri. Deși principiul de bază este simplu din punct de vedere conceptual, proiectarea unui sistem de imagistică eficient necesită o cantitate semnificativă de circuite complexe, împreună cu mai multe regulatoare de curent continuu pentru alimentarea diferitelor subcircuite. Aceste regulatoare și puterea asociată trebuie să fie eficiente, dar și să producă foarte puțin zgomot, din cauza cerințelor extreme legate de SNR și de intervalul dinamic privind energia semnalului acustic reflectat. După cum s-a arătat, circuitele integrate LDO și Silent Switcher de la Analog Devices îndeplinesc aceste cerințe fără a compromite spațiul, EMI sau alte atribute cheie.

Conținut asociat

1. Maxim/Analog Devices, Tutorial 4696, „Prezentarea generală a sistemelor de imagistică cu ultrasunete și a componentelor electrice necesare pentru principalele subfuncții”
2. Analog Devices, „Tehnologia Silent Switcher™ de la Analog Devices” (video)
3. Analog Devices, „μModule Silent Switcher cu zgomot redus și regulatoarele LDO îmbunătățesc zgomotul ultrasunetelor și calitatea imaginii”
4. Analog Devices, „Dispozitivele Silent Switcher sunt silențioase și simple”